水电机组状态监测及数据分析软件系统的研制

1、水电机组状态监测及数据分析软件系统的研制张伟1 ，韩亮1 ，吴玉林2（清华大学机械工程系 清华大学热能工程系）摘要：本文介绍了一套水电机组状态监测及数据分析软件系统，该软件系统能够对机组的振动、摆度、温度、压力等重要的工况参数实时监测及报警，并能在监测过程中评价机器运行状态以及预测缓变量参数变化趋势；基于数据库的数据分析模块除提供常用分析方法外，还提供了联合时频域分析、小波变换分析及转子动负荷分析等高级分析功能。该软件系统能够较好的掌握机组的当前状态及历史数据，为水电机组适时针对性维护提供依据与手段。关键词：状态监测 数据分析 水轮机 联合时频域分析 小波变换 动负荷分析 随着近年我国电力供应

2、形势不断紧张，水轮发电机组装机容量以及单机容量不断增大，其安全性和经济性日显重要，机组的运行、维护、检修、管理也相应的提出了更高要求。运行事故不仅影响机组的正常运行，而且会造成发电机组损坏，甚至影响电网的安全和稳定。因此，加强水轮发电机组的监测，以及对重要参量进行实时监测和事后分析，利用分析结果对机组状态进行评估和预测对于大中型水轮发电机组安全稳定运行具有重要的意义。本文研制了一套基于WINDOWS系统的水电机组状态监测及数据分析软件系统，软件利用Borland Delphi 7.0 作为开发平台研制，提供了较为全面的状态监测和数据分析功能模块，能够较好的掌握机组的当前状态及历史数据，为水电机

3、组适时针对性维护提供依据。1. 状态监测功能模块1.1 监测对象的选择状态监测模块要求通过监测参量和特征参量准确实时反映机组状态及其变化情形，兼顾机组全局和局部的状态及特征参量的监视。因此，测点选择与传感器布置不仅对状态监测的内容和有效性起着决定性的影响，而且是诊断知识模型的基础。因此需要以相关标准(ISO,VDI,GB等)为依据，以需求描述为评价标准进行确认。按结构划分机组为5个主要监测模块，它们是：转子轴承、推力轴承、过流部件、机架结构和发电机。初步设定共有64路测点，监测机组导轴承处摆度、机组结构振动、温度以及压力脉动等参量，另从监控系统引入接力器行程、有功、无功、油位和各种开关量，为诊

4、断参量和模型提供完备确定的环境状态参量。1.2 状态监测软件功能实现状态监测软件模块可以全面监测机组的工作状态，并且可对测点参量作一级报警、二级报警、物理上下限设置。状态监测的形式以主监视图、参数表格图、棒图、轴心轨迹、能量效率和趋势监测等模块构成，见图2，除监测机组参量外，还能够计算快变信号的频谱，以及对温度等缓变信号进行趋势预测。当机组运行发生异常状态时，监测模块能够利用记录黑匣子功能对异常数据进行连续纪录，以便事后分析事件原因。状态监测模块能够利用加权算法对机组的运行状态给出综合评价，形成实时运行状态报告。同时，根据状态报告的结论，并利用数据库分类检索的功能，对应不同工况状态下的状态报告

5、，可以判断机组的最优运行状态，从而优化机组的运行。监测过程要求能够定时存储监测数据，并形成数据库文件，以便利用分析软件事后对所存储的数据进行分析。水电机组启停机的瞬态过程包含了大量丰富的重要特征数据，因此要求瞬态过程中存储的数据具有完备性和连续性。为此与本文所研究的软件系统所配套的硬件采集系统采用了特殊的设计方式，能够做到类似示波器的不间断连续采样的方式存储数据，这也是区别于国内目前其他水电机组状态监测系统的特点之一。2. 信号分析功能模块2.1 功能信号分析模块是利用一些专门的分析方法对状态监测所获取的数据进行分析，以期得到反映机组状态本质的特征。信号分析模块的主要功能应该是发现隐含故障或确

6、认疑难故障，技术人员可利用该模块对机组的监测数据进行全面深入的分析，以掌握影响机组运行稳定性的关键因素，揭示机组振动的本质原因。本文研究的分析模块除提供常用分析方法外，还提供了联合时频域分析、小波变换分析及转子动负荷分析等高级分析功能。2.2 信号分析方法 通用信号分析方法 .1 时域和频域一般分析方法(1) 时域信号分析：用以显示快变量信号随时间的变化值，是获取信号的最简单形式，包括均值、方差、峰峰值。借助于键相位信号，时域信号可用作相位角的直接显示。时域信号分析还包括信号的自相关函数分析，可以判断信号自身时间历程的相互关系。(2) 功率谱分析：以经典功率谱分析方法（周期图法和Welch法）

7、和现代功率谱分析方法（参数模型法）分析信号频谱，反映各频率上的振动能量或振幅的分布情况。.2 轴心轨迹分析方法（1）轴心轨迹分析（包括相对轴心轨迹和绝对轴心轨迹）：在给定的转速下，轴心线在其与轴线垂直的平面内的运动轨迹，从中可以得到轴承预荷载的种类、大小和方向，见图4。(2) 多轴心轨迹图：对连续测得的若干数据包依次画出其轴心轨迹图(如1X轨迹图、32X轨迹图等)。可观察过渡过程中，轴心轨迹随转速改变而变化的情况，也可观察轴心轨迹在负载改变时的变化。(3)空间轴线图：作出上导、下导、水导的轴心轨迹中心，以观察轴的变形，从而对轴的受力情况、轴承磨损作出判断，见图3。.3 级连图或瀑布图级连图或瀑

8、布图是一系列频谱曲线随转速（级连图）或时间（瀑布图）变化的函数曲线，表明了转速或时间、频率、振幅之间的关系。可检查机组在启动或停机时瞬态数据频谱的变化情况。可检查机组在稳态时，频谱是否正常，从而判断机器的临界转速，振动原因和阻尼大小，见图5。.4 波特图和极坐标图波特图是机器振幅与频率，相位与频率的关系曲线，一般以横坐标为转速频率，纵坐标为振幅和相位。一般使用通频波特图、转速频率滤波波特图，从波特图可以得到转子系统在各个转速下的振幅和相位、转子系统在运行范围内的临界转速值、转子系统阻尼大小和共振大小系数。如果将振幅与频率，相位与频率的关系画在复平面上即为极坐标图，见图6。 高级信号分析方法.1

9、 联合时频域分析在水电机组的启停机瞬态过程中传感器会接受到大量的非平稳的快变量信号，对于非平稳的振动信号，傅立叶变换在信号分析中缺乏时频域定位功能，如果想知道某一个特定的时间对应的频率是多少，或者某一个特定的频率所对应的时间是多少，那么傅立叶变换无能为力。因此对于机组非平稳信号应该使用联合时频域分析方法（JTFA）将时域分析和频域分析结合起立，即找到一个二维函数，它既能反映信号的频率内容，也能反映该频率随时间变化的规律。 一个信号可以描述为一组基信号的时频域的线性组合，如式（1）： （1）其中 是一组基信号，它的表达式包含有时移特性和频域调制特性， 是每个基函数前的权重系数，它是时间和频率的二

10、维函数，因此求得 就可以求得信号的联合时频域分布。本文所研究的分析软件的联合时频域分析包括具有线性形式的短时傅立叶变换STFT及Gabor变换。除此之外还包括具有双线性形式的时频分布，主要是Wigner分布，所谓双线性形式，是指所研究的信号在时频分布的数学表达式中以相乘的形式出现两次。不同的JTFA算法对分析结果会产生不同影响，见图7。.2小波变换分析引发水电机组振动的原因是多方面的,其中有一些振动类型,其诱因(如转子绕组匝间短路、发电机三相电流不平衡、转轮叶片断裂、转子部件脱落等)往往具有突发性质，傅立叶变换的数学原理决定了它无法对水电机组振动信号中出现的突发奇异点做出准确识别，而这种突发奇

11、异点的出现，通常又是和故障的发生紧密相连。短时傅立叶变换是以同一种分辨率来观察信号，其时域分辨率和频域分辨率是互相矛盾的，而小波变换具有伸缩、平移和放大功能，它在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，可以对信号进行多尺度分析，能对不同的频率成分采用逐渐精细的抽样步长，聚焦到信号的任意细节，因此具有很强的特征提取功能，尤其是对突变信号的处理优势非常明显。信号 的小波变换（Wavelet Transform，WT）定义为： （2）其中是母小波经移位和伸缩所产生的一族函数，我们称之为小波基函数，小波变换实际上就是将信号分解到一系列频带和时宽各不相同的小波基函数上，是时移，是尺度因子。当我们用较小的对

12、信号作高频分析时，我们实际上是用高频小波对信号作细致观察，当我们用较大的对信号作低频分析时，实际上是用低频小波对信号作概貌观察。本文所研究的分析软件提供连续小波变换和离散小波变换两种分析方法，连续小波变换主要采用Morlet、.Mexican hat和Meyer三种小波进行分析；离散小波变换将信号分解到各个频段，计算频带内的能量成分，并且可以对各个频段设定阈值对信号进行重构，见图9。转子动负荷分析利用动负荷分析方法可以定性计算到轴承瓦块油膜压力分布，以及各个瓦块受力，通过各个瓦块受力的矢量合，就可计算出转子所受的动负荷大小。一般汽轮机的卧式滑动轴承的轴心轨迹在一个象限内，具有大小方向一致的稳定

13、负荷。而水电机组主轴在运行过程中，滑动轴承为立式，且轴心轨迹范围在轴承圆的四个象限内，因此主轴所受力为动负荷，即合力的大小和方向都在时刻变化。由于水轮机导轴承与一般卧式滑动轴承的这一差别，有关设计手册上滑动轴承静、动态特性表和曲线的使用就存在一些问题，参照使用也就带来导轴承状态存在异常的可能性。 图1 卧式滑动轴承轴心轨迹象限和立式导轴承轴心轨迹象限动负荷计算的思路就是以测试得到的轴心轨迹为出发点，通过理论计算得到导轴承的动负荷时间序列。从而为导轴承的寿命预测提供条件。具体的研究内容是雷诺方程的推导和假设、方程的离散化，差分网格划分，方程求解，最后积分得到单块瓦块的负荷时间序列。 （3）动压润

14、滑效应满足雷诺方程的完整形式，如式（3）所示，利用差分法将轴承的润滑油膜区域划分为许多网格，用各个节点上的压力值构成各阶差商，近似取代雷诺方程中的导数，将二阶偏微分方程化为一组代数方程，通过叠代计算方法求解出各个节点上的压力值。所得的一组离散的压力数值，也就近似表达了瓦块上油膜中的压力分布，见图8。.4趋势预测 导轴承及推力轴承是水轮发电机设备的关键部位，研究表明，轴承润滑失效事故与润滑油温度瞬态变化密切相关，因此在实践中必须刻注意机器运行过程中瓦温以及油温的变化。而油膜温度的变化可能是非稳态过程，为此本文所研究的软件系统利用ARIMA模型方法来描述并预测油膜温度的变化。方法的基本思路是：对于

15、非平稳的时间序列，用若干次差分（称之为“求和”）使其成为平稳序列，再用 ARMA（p，q）模型对该平稳序列建模，之后经反变换得到原序列，并利用得到的模型对时间序列进行预测。3. 软件系统的结构及特点 数据分析软件是基于已有标准数据库和检索技术，查询水电机组状态监测数据库，数据库能够满足以下基本要求：按照监测时间、日期检索管理；按照工况运行条件检索管理；对于特殊的非稳态以及异常过程应有特殊的数据库管理；能自动提醒用户备份数据库，清理数据库，维护数据库。分析软件采用了独立模块化设计，能够采用多线程方式分析各个工况数据包，即能够利用不同分析方法分析同一数据包数据，或者利用同一分析方法分析不同的数据包

16、的数据。 4. 软件运行示例 下面给出状态监测以及数据分析的运行示例： 图2 状态监测界面 图3 主轴状态图 图4 轴心轨迹图 图5 瀑布图 图6 极坐标图图7 联合时频域分析 图8 动负荷分析图9 离散小波变换4. 总结 本文所研究的软件系统采用面向数据流和对象的分析设计方法开发，在WINDOWS环境下编制的应用程序,各个模块在总体框架下独立运行，软件的可扩展性较强。软件有良好的界面，并可以多窗口运行，能够较完整的掌握机组运行当前状态和历史数据，为实现预测维修、延长机组大修期提供决策数据和帮助。参考文献1 张伟,张正松 300抽水蓄能机组振动状态监测、分析、诊断系统的研究 清华大学学报(自然科学版),1998,32 张正松等 旋转机械振动监测及故障诊断 北京:机械工业出版社 19913 机械设备故障诊断技术与应用 王江萍 西北工业大学出版社 20004 wigner-ville分布在机械故障诊断中的研究 蒋平贾 民平许 飞云 智能故障诊断 19995 数字信号处理 胡广书 清华大学出版社 200